離子推力器非預(yù)期電擊穿特性及其主要影響因素對(duì)比研究

張雪兒，張?zhí)炱剑畹锰?，楊 浩，孟 偉

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：蘭州730000）

0 引言

離子推力器具有比沖高、性能調(diào)節(jié)便利、適用范圍廣、技術(shù)成熟度高等優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)槠涔ぷ鲿r(shí)，陽(yáng)極、屏柵極等電極在屏柵電源1000 V 以上的（正）高電位，外殼為零電位，加速柵極處于加速電源-200 V 以下的（負(fù)）低電位，且屏柵極和加速柵極間距小于1 mm，普遍存在非預(yù)期電擊穿問(wèn)題，離子推力器的研制和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)均表明，無(wú)論在地面試驗(yàn)還是空間工作環(huán)境條件下，離子推力器正常工作過(guò)程中都會(huì)發(fā)生柵極之間的電擊穿，該事件被定義為離子推力器的非預(yù)期電擊穿（以下簡(jiǎn)稱擊穿）?，F(xiàn)階段對(duì)該問(wèn)題的研究揭示：離子推力器非預(yù)期電擊穿的誘發(fā)因素較多、發(fā)生過(guò)程與機(jī)理非常復(fù)雜；擊穿發(fā)生時(shí)存在損傷推力器結(jié)構(gòu)、降低電推進(jìn)系統(tǒng)工作可靠性的工程風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)采取針對(duì)性控制與防護(hù)措施，可以把擊穿頻次及影響降低到航天任務(wù)可接受的范圍內(nèi)。

經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，我國(guó)的離子電推進(jìn)研究已經(jīng)步入航天工程應(yīng)用的快速擴(kuò)展階段，凸顯出深化非預(yù)期電擊穿問(wèn)題研究的必要性：一方面，離子推力器非預(yù)期電擊穿雖難以完全消除但可以有效抑制，其抑制措施對(duì)于確保離子電推進(jìn)在航天器上的可靠應(yīng)用非常關(guān)鍵；另一方面，隨著更高比沖、更大功率離子推力器的開發(fā)應(yīng)用被提上日程，對(duì)離子推力器擊穿問(wèn)題的工程解決將變得更加棘手。由此可見，正確認(rèn)識(shí)離子推力器非預(yù)期電擊穿問(wèn)題，深入理解其相關(guān)機(jī)理與規(guī)律，并采取有效控制與防護(hù)工程措施極為重要和迫切。

本文在主要誘發(fā)因素及機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比分析空間與地面應(yīng)用、不同工況、不同類型等情況下的離子推力器擊穿數(shù)據(jù)，尋找離子推力器擊穿頻次與誘發(fā)因素之間的關(guān)聯(lián)性；通過(guò)研究擊穿頻次與離子推力器累計(jì)工作時(shí)間的關(guān)系，找到推力器全壽命期間擊穿特性變化趨勢(shì)及其與主要影響因素之間的關(guān)聯(lián)。期望能夠?yàn)楹教炱鞴こ虘?yīng)用中離子推力器非預(yù)期電擊穿的抑制及防護(hù)提供支持。

1 離子推力器擊穿特性的對(duì)比分析

1.1 空間應(yīng)用與地面試驗(yàn)中擊穿頻次的對(duì)比分析

離子推力器空間應(yīng)用和地面試驗(yàn)中擊穿特性的直接比較應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)品狀態(tài)一致為前提，并且要求推力器累計(jì)工作時(shí)間足夠長(zhǎng)、擊穿數(shù)據(jù)的代表性好。目前，具有這種可比性的推力器只有美國(guó)的NSTAR。NSTAR 的地面數(shù)據(jù)來(lái)自8000 h 以上的壽命演示試驗(yàn)（LDT）和30 000 h 以上的擴(kuò)展壽命試驗(yàn)（ELT）；空間應(yīng)用數(shù)據(jù)來(lái)自“深空一號(hào)”（DS-1）和“黎明號(hào)”（Dawn）航天器。基于文獻(xiàn)得到的可對(duì)比擊穿數(shù)據(jù)如表1所列，其中Dawn 的數(shù)據(jù)為3臺(tái)推力器數(shù)據(jù)的平均值。

表1 NSTAR 離子推力器空間與地面擊穿數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Breakdown characteristics of NSTAR in space and in ground tests

從表1中數(shù)據(jù)可見，NSTAR 空間飛行應(yīng)用中的平均擊穿頻次相對(duì)于地面試驗(yàn)中的要小近2個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，文獻(xiàn)[19]報(bào)道，BepiColombo航天器上的英國(guó)T6推力器在第1階段空間飛行中的平均擊穿頻次為0.2 h，僅為地面試驗(yàn)中平均擊穿頻次的20%。綜合分析認(rèn)為導(dǎo)致天地間擊穿頻次顯著差別的主要原因包括：

1）氣壓環(huán)境影響。地面壽命試驗(yàn)艙內(nèi)的真空度一般在10Pa 量級(jí)，比空間真空環(huán)境差，再加上推力器在設(shè)備維修、低溫泵再生等情況下會(huì)暴露于大氣中并吸附氣體，因此低氣壓電擊穿的頻次明顯增加。

2）地面真空艙影響。地面試驗(yàn)真空艙內(nèi)，推力器的高能束流對(duì)束流靶、艙壁等存在比較嚴(yán)重的離子濺射效應(yīng)，產(chǎn)生的背濺射物沉積或漂浮到柵極，可能以微粒物或微凸結(jié)構(gòu)形式引發(fā)擊穿。

3）工況差異影響。對(duì)多模式離子推力器，地面壽命試驗(yàn)所選擇工況與空間應(yīng)用工況不盡相同，且地面試驗(yàn)一般選取磨損更惡劣的工況，因此相應(yīng)工況相關(guān)影響參數(shù)的不同將導(dǎo)致?lián)舸┨匦缘牟顒e。

從工程應(yīng)用角度看，擊穿事件在上述飛行任務(wù)中并未導(dǎo)致原定任務(wù)受到影響，但其地面試驗(yàn)中出現(xiàn)的由擊穿導(dǎo)致的放電室熄弧現(xiàn)象存在工程隱患；另外，日本星際微衛(wèi)星南河三（PROCYON）以及波音公司BSS-601HP平臺(tái)等應(yīng)用的離子電推進(jìn)曾由于頻繁擊穿導(dǎo)致任務(wù)失敗或服役壽命縮短。

1.2 不同工況的對(duì)比分析

離子推力器的工況參數(shù)較多，其中影響擊穿的主要參數(shù)包括柵間電場(chǎng)強(qiáng)度、束流密度、柵極材料、背景真空度等。實(shí)際上這些工況參數(shù)對(duì)擊穿特性的影響往往是相互耦合的，在分析某個(gè)工況參數(shù)的影響時(shí)需要其他參數(shù)盡量保持一致或相近，同時(shí)要避免天地差別和累計(jì)工作時(shí)間的影響，基于這些考慮，對(duì)比分析以短期地面數(shù)據(jù)為主。

1.2.1 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

表2列出了美國(guó)的NSTAR 和NEXT、中國(guó)的LIPS-200和LIPS-300離子推力器的基本數(shù)據(jù)對(duì)比。由于不同國(guó)家的擊穿測(cè)量方法和判定準(zhǔn)則不一致，對(duì)比分析僅限于兩國(guó)內(nèi)部產(chǎn)品之間。

表2 不同離子推力器基本穿數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Breakdown characteristics against field strength

由表2列舉的數(shù)據(jù)可知，比較對(duì)象之間柵極材料相同、束流密度相近、試驗(yàn)周期和真空度相當(dāng)，主要差別在于柵間電場(chǎng)強(qiáng)度。而電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)擊穿頻次的影響非常顯著：NEXT 電場(chǎng)強(qiáng)度是NSTAR 電場(chǎng)強(qiáng)度的約1.5倍，而平均擊穿頻次提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)；LIPS-300電場(chǎng)強(qiáng)度是LIPS-200電場(chǎng)強(qiáng)度的約1.5倍，而平均擊穿頻次提高了約50倍。但由于LIPS-300為三柵極，其累計(jì)擊穿次數(shù)還包括加速柵與減速柵之間的擊穿，測(cè)試結(jié)果顯示這種擊穿占擊穿總數(shù)的30%左右，修正該因素影響后LIPS-300的擊穿頻次較LIPS-200的實(shí)際提高了30多倍。

電場(chǎng)強(qiáng)度增大對(duì)擊穿頻次的顯著影響在多種因素及機(jī)理方面符合預(yù)期，它將成為更高比沖離子推力器研制及應(yīng)用中的關(guān)鍵制約因素。

1.2.2 束流密度對(duì)比

單獨(dú)對(duì)比束流密度對(duì)擊穿影響的最佳數(shù)據(jù)來(lái)自多模式離子推力器，由于推力器結(jié)構(gòu)狀態(tài)完全一致，可選取電場(chǎng)強(qiáng)度一致或接近、束流密度不同的工況（此時(shí)束流密度與束流大小成正比）進(jìn)行對(duì)比。NEXT 推力器地面壽命試驗(yàn)的TL12和TL40工作模式（工況）可直接進(jìn)行對(duì)比；Dawn 航天器空間飛行第3臺(tái)NSTAR 推力器的ML90、ML97和ML111工況可直接進(jìn)行對(duì)比。具體數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 不同束流密度下的擊穿數(shù)據(jù)對(duì)比Table3 Breakdown data against beam current density of NEXT in ground test and NSTAR in space

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是地面還是空間，束流密度對(duì)擊穿頻次的影響都較明顯：NEXT 的TL40工況的束流密度比TL12工況的高約1.9倍，而擊穿頻次達(dá)到后者的3.7倍；NSTAR的ML111工況的束流密度是ML90、ML97工況的1.1～1.2倍，而擊穿頻次提高到后兩者的4.7～5.1倍。

束流密度增大對(duì)擊穿頻次的影響機(jī)理目前還不完全清楚，應(yīng)當(dāng)與束流的欠聚焦或過(guò)聚焦濺射、交換電荷離子碰撞、電極表面鞘層厚度等相關(guān)。

1.2.3柵極材料對(duì)比

常用柵極材料包括鉬、鈦、熱解石墨、C/C復(fù)合等，可直接對(duì)比的數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)NSTAR 推力器]和日本IES-14推力器，如表4所列。

表4 不同柵極材料下的地面擊穿數(shù)據(jù)對(duì)比Table 4 Breakdown data for ground test of ion thruster with different grid material

由表4數(shù)據(jù)可見：在同樣工況下，NSTAR 推力器C/C柵相對(duì)鉬柵的平均擊穿頻次高出1個(gè)數(shù)量級(jí)；IES-14推力器C/C柵的平均擊穿頻次明顯比鉬柵的高，甚至最終因連續(xù)擊穿導(dǎo)致高壓無(wú)法加載。

另外的專題對(duì)比研究也證實(shí)了碳基材料的耐擊穿特性比鉬柵的差。除了加工制造因素外，這也是導(dǎo)致具有更好耐濺射和熱穩(wěn)定特性的碳基柵極沒有得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

1.2.4 背景真空度對(duì)比

背景真空度與離子推力器擊穿特性的關(guān)聯(lián)程度相對(duì)較弱，原因之一是地面試驗(yàn)的背景真空度都較高，一般優(yōu)于5×10Pa；另一更主要的原因是電場(chǎng)強(qiáng)度、束流密度、柵極材料等敏感因素的差別掩蓋了背景真空度的影響。但離子電推進(jìn)發(fā)展早期的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)真空度低于5×10Pa 時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)舸╊l次明顯升高。由此可以推測(cè)，在較低背景真空度下，低氣壓放電是影響擊穿頻次的主要機(jī)理；而在較高真空度下，影響主要來(lái)自真空環(huán)境與其他因素的耦合作用。

1.3 不同類型離子推力器的對(duì)比分析

有可對(duì)比數(shù)據(jù)的推力器類型包括美國(guó)環(huán)型會(huì)切場(chǎng)類型NEXT和NSTAR，英國(guó)發(fā)散場(chǎng)類型T5，德國(guó)射頻類型RIT-22，中國(guó)柱型會(huì)切場(chǎng)類型LIPS-200和環(huán)型會(huì)切場(chǎng)類型LIPS-300等；累計(jì)工作時(shí)間較長(zhǎng)（5 kh 以上）情況下的擊穿數(shù)據(jù)如表5所列，可以看到不同類型離子推力器平均擊穿頻次差別較大。

表5 不同類型離子推力器擊穿數(shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Breakdown data of different types of ion thrusters

通過(guò)具體分析認(rèn)為，除了天地差別外，導(dǎo)致不同國(guó)家及不同類型離子推力器平均擊穿頻次差別的主要原因依次為：

1）不同國(guó)家和產(chǎn)品擊穿判據(jù)的具體設(shè)置閾值差別。美國(guó)NEXT 和NSTAR 推力器采用束電流和加速電流監(jiān)測(cè)及判讀的方法，英國(guó)GOCE任務(wù)能夠區(qū)分T5推力器由放電室和加速極引發(fā)的擊穿，德國(guó)Artemis任務(wù)監(jiān)測(cè)RIT-10離子推力器的束電壓并以其降至額定值90%為擊穿判據(jù)，德國(guó)RIT-22地面試驗(yàn)以束電源和加速電源的過(guò)流監(jiān)測(cè)結(jié)果為擊穿判據(jù)，我國(guó)對(duì)LIPS-300推力器束電流和加速電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)并以電流增大超出閾值作為擊穿判據(jù)。

2）推力器平均束流密度工況差別。例如T5在GOCE 上為低功率（小束流密度）工作，而NSTAR在DS-1和Dawn 上較大部分時(shí)間為高功率（大束流密度）工作。

3）三柵極與雙柵極結(jié)構(gòu)差異。如LIPS-300為三柵極而LIPS-200為雙柵極，三柵極的擊穿可以在屏柵和加速柵、加速柵和減速柵、屏柵和減速柵之間發(fā)生，而雙柵極的擊穿只在屏柵和加速柵之間發(fā)生。

4）不同柵極材料影響，如1.2.3節(jié)所述。

目前分析暫無(wú)法得出哪種類型離子推力器（放電室）的非預(yù)期電擊穿可能性更高或更低的明確結(jié)論。

2 離子推力器全壽命期間擊穿特性的對(duì)比分析

無(wú)論是地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)還是航天器空間飛行應(yīng)用，均顯示了離子推力器擊穿特性隨累計(jì)工作時(shí)間呈現(xiàn)階段性分布的特征。圖1所示為NEXT 推力器地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)的累計(jì)擊穿次數(shù)及平均擊穿頻次隨推進(jìn)劑消耗量的變化情況（其中推進(jìn)劑消耗量與時(shí)間近似呈線性相關(guān)），可見圖中細(xì)實(shí)線所示擊穿頻次存在顯著的時(shí)間分布特征。圖2所示為Dawn 航天器上3臺(tái)NSTAR 推力器（FT1、FT2、FT3）在飛行任務(wù)周期內(nèi)擊穿次數(shù)與累計(jì)工作時(shí)間的關(guān)系，可見不同工作時(shí)段上累計(jì)擊穿次數(shù)增長(zhǎng)速率存在明顯差別。因此對(duì)擊穿次數(shù)受累計(jì)工作時(shí)間影響特性進(jìn)行對(duì)比分析，不僅有助于找出其階段特性的內(nèi)在影響因素，而且對(duì)以推力器長(zhǎng)期工作為特征的工程應(yīng)用具有重要意義。

圖1 NEXT 地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)中累計(jì)擊穿次數(shù)及平均擊穿頻次曲線Fig.1 Breakdown eventsduring LDTof NEXT

圖2 NSTAR 在Dawn 航天器上的累計(jì)擊穿次數(shù)Fig.2 Breakdown eventsof NSTAR in Dawn mission

以下分析以NEXT 地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)和NSTAR 在Dawn 航天器上的應(yīng)用情況18]為主線，同時(shí)參考其他型號(hào)推力器或不同應(yīng)用場(chǎng)景下的擊穿數(shù)據(jù)。盡管NEXT 和NSTAR 不是完全相同的推力器產(chǎn)品，但兩者在放電室類型（環(huán)型會(huì)切場(chǎng)）、柵極結(jié)構(gòu)（鉬雙柵）、產(chǎn)品成熟度（定型產(chǎn)品）、研制單位（GRC和L3）等多個(gè)方面具有很高的相似度，再加上兩者在地面長(zhǎng)壽命試驗(yàn)中擊穿特性的相近性，對(duì)兩者進(jìn)行比較具有一定的合理性和工程意義。結(jié)合前述影響擊穿的因素和機(jī)制，對(duì)NEXT地面試驗(yàn)和Dawn 飛行過(guò)程中擊穿事件的時(shí)間分布特性分析如下：

1）不論地面還是空間，離子推力器在工作初始階段擊穿頻次均較高。地面上的主要影響因素為推力器暴露于大氣時(shí)的吸濕、附著塵埃和出氣等?？臻g飛行中，推力器入軌后工作初期擊穿頻次較高、推力器之間差別較大的特點(diǎn)具有普遍性，具體數(shù)據(jù)見表6。分析確認(rèn)其主要原因?yàn)榇嬖谖廴疚?，污染物?lái)源包括地面、發(fā)射場(chǎng)、星箭分離、化學(xué)推進(jìn)工作等；次要原因是推力器出氣，如日本μ-10推力器在“隼鳥一號(hào)”航天器上的情況。

表6 離子推力器入軌檢測(cè)擊穿數(shù)據(jù)Table6 Breakdown data of ion thrusters during initial checkout

2）隨著工作時(shí)間的累積，空間和地面上擊穿頻次的走勢(shì)有明顯差別。地面上頻次趨于隨機(jī)穩(wěn)定，但每次試驗(yàn)設(shè)備維修（暴露于大氣）、低溫泵再生（暴露于氙氣）等情況均會(huì)使擊穿頻次出現(xiàn)明顯峰值。如圖3所示，NEXT 在累計(jì)工作6300 h 時(shí)出現(xiàn)的擊穿頻次峰值（9 h）對(duì)應(yīng)于一次試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)的維修；該現(xiàn)象在NSTAR 等多個(gè)推力器壽命試驗(yàn)中出現(xiàn)過(guò)，其主要機(jī)制為沉積碳膜吸收水分后破裂。而空間應(yīng)用較地面試驗(yàn)時(shí)擊穿頻次顯著降低。圖4所示為入軌檢測(cè)后FT3在工作老煉期間的擊穿情況，可以看到，除了開始時(shí)過(guò)渡段的擊穿頻次較高外，其后的平均擊穿頻次為1.5 d。頻次降低的主要原因是入軌檢測(cè)過(guò)程中的擊穿蒸發(fā)有效清除了污染物及出氣影響。其他相似例證包括：英國(guó)T6推力器在BepiColombo航天器上應(yīng)用時(shí)，F(xiàn)T1在入軌檢測(cè)階段工作4 h、擊穿5次，后續(xù)第1階段軌道轉(zhuǎn)移工作中近千小時(shí)內(nèi)平均擊穿頻次為0.2 h，且基本恒定；我國(guó)SJ-20衛(wèi)星上LIPS-300推力器的平均擊穿頻次從入軌檢測(cè)初期的10 h降低到開始正式位置保持工作后的4.5 h，在累計(jì)20多小時(shí)的工作過(guò)程中下降了約1/2。

圖3 NEXT工作11570 h 的累計(jì)擊穿次數(shù)及擊穿頻次曲線Fig.3 Breakdown data of NEXT through 11570 h of test time

圖4 FT3工作老煉期間的擊穿特性曲線Fig.4 Breakdown characteristicsof FT3 during long-duration system test

3）不論地面還是空間，推力器重啟42-44]以及工作模式的切換往往會(huì)使擊穿頻次出現(xiàn)峰值。圖1中，NEXT在累計(jì)消耗推進(jìn)劑265 kg 和475 kg時(shí)出現(xiàn)的擊穿頻次峰值分別對(duì)應(yīng)于推力器工況從TL40到TL37以及TL12到TL40的轉(zhuǎn)變。圖2中，Dawn 在后期（FT1累計(jì)工作7 kh 以上）任務(wù)中，F(xiàn)T1于7 kh 后出現(xiàn)的擊穿頻次峰值、FT3在8 kh 時(shí)的峰值以及FT2在19 kh 和20 kh 時(shí)的峰值等，均發(fā)生于較長(zhǎng)時(shí)間關(guān)機(jī)后的再次啟動(dòng)。該類現(xiàn)象的主要原因?yàn)橥屏ζ鳠釙簯B(tài)和熱平衡態(tài)的差異以及束流分布變化的濺射作用，導(dǎo)致柵極及放電室濺射沉積物（膜）的開裂、翹起甚至剝離，由此引起擊穿頻次顯著增大；隨后在擊穿電弧的燒蝕作用下，誘發(fā)擊穿的沉積物逐漸被消除，擊穿頻次趨于正常。

4）比較2種推力器在整個(gè)試驗(yàn)或飛行任務(wù)中的擊穿數(shù)據(jù)，其中NSTAR 推力器主要工況參數(shù)見文獻(xiàn)[37]，排除工作初期因素和工況轉(zhuǎn)換過(guò)渡段的熱狀態(tài)變化等影響，推力器轉(zhuǎn)入低功率模式工作后擊穿頻次明顯降低。其主要機(jī)制為在電場(chǎng)強(qiáng)度減小、束流密度減小、柵極孔徑變大等因素影響下場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)和束流離子碰撞效應(yīng)的消除。這與1.2節(jié)中的對(duì)比分析結(jié)論一致。

5）從整體擊穿頻次看，飛行應(yīng)用中的平均擊穿頻次比地面試驗(yàn)中的低得多。NSTAR 飛行應(yīng)用的平均擊穿頻次最大為12.2 kh，NEXT 地面試驗(yàn)平均擊穿頻次約770 kh，進(jìn)一步印證了1.1節(jié)的對(duì)比結(jié)論。

6）NEXT 地面試驗(yàn)中出現(xiàn)了由放電陰極觸持與陰極地短路導(dǎo)致的擊穿，以及小比例的放電室熄弧情況，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。短路擊穿在擊穿事件總數(shù)中占有較大比例（約38%），該短路源于濺射物在觸持極和陰極頂之間的沉積，對(duì)NEXT 推力器工作性能影響不大，但短路增大了觸持極的離子碰撞能量（觸持電壓），會(huì)導(dǎo)致陰極點(diǎn)火困難（擊穿從陰極到觸持變?yōu)閺挠|持到陽(yáng)極）甚至需要再次點(diǎn)火，最嚴(yán)重的后果是低發(fā)射電流工況下陰極熄弧。盡管短路擊穿事件在Dawn 航天器應(yīng)用中未見報(bào)道，但在其他應(yīng)用離子推力器的飛行任務(wù)中曾出現(xiàn)過(guò)。熄弧現(xiàn)象在NSTAR 推力器ELT 中總計(jì)發(fā)生8次，在5 kW 離子推力器900 h 壽命試驗(yàn)中也發(fā)生過(guò)5次；由圖5可知熄弧主要發(fā)生于TL05、TL01等小功率工作模式下。分析認(rèn)為，在小功率模式下陰極發(fā)射電流相對(duì)較小，抗干擾能力較差，導(dǎo)致熄弧概率增大。NSTAR 飛行應(yīng)用中未見到熄弧現(xiàn)象，可能的原因之一是PPU（電源處理單元）與地面電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在差異。從航天任務(wù)要求角度看，應(yīng)避免發(fā)生短路擊穿和熄弧的現(xiàn)象。

圖5 NEXT壽命試驗(yàn)中各階段（模式）熄弧、短路擊穿和其他擊穿次數(shù)Fig.5 Discharge extinguish events,shortcut,and other breakdownsduring LDT of NEXT

3 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)離子推力器地面試驗(yàn)和飛行應(yīng)用中的擊穿特性研究及對(duì)比分析，獲得了離子推力器擊穿頻次及其隨累計(jì)工作時(shí)間分布等主要特征，確認(rèn)了影響擊穿的主要因素，找出了天地間影響因素的主要差別及其與擊穿特性的關(guān)聯(lián)性，初步分析了影響因素與擊穿特性之間的主要機(jī)制：

1）長(zhǎng)期空間應(yīng)用中的離子推力器平均非預(yù)期電擊穿頻次在2～12 kh范圍內(nèi)，入軌檢測(cè)階段的擊穿頻次在0.4～10 h范圍內(nèi)，正式工作初期的擊穿頻次在0.5 h以下；地面壽命試驗(yàn)中的離子推力器平均非預(yù)期電擊穿頻次在20～1700 kh范圍內(nèi)，相對(duì)飛行應(yīng)用高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

2）擊穿特性的主要影響因素包括：離子推力器暴露于大氣環(huán)境后的吸氣和出氣，地面試驗(yàn)艙背濺射、發(fā)射、推力器內(nèi)部濺射等過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)外污染物，推力器工作的電場(chǎng)強(qiáng)度和束流密度等參數(shù)，推力器的熱狀態(tài)及變化，電極材料等。

3）暴露于大氣、試驗(yàn)艙背濺射是地面試驗(yàn)中最主要的擊穿影響因素，不僅產(chǎn)生擊穿頻次峰值，也是造成天地間擊穿特性顯著差別的主導(dǎo)因素。發(fā)射過(guò)程污染和內(nèi)部濺射物是空間應(yīng)用中最主要的擊穿影響因素，往往會(huì)產(chǎn)生擊穿頻次峰值。電場(chǎng)強(qiáng)度、束流密度、熱狀態(tài)及變化、柵極材料是地面試驗(yàn)和空間應(yīng)用共有的擊穿影響因素，基本決定了相對(duì)穩(wěn)定的低頻次擊穿特性，但其中的熱狀態(tài)及變化影響存在天地差異。

4）吸氣和出氣引發(fā)低氣壓放電，污染和沉積物微凸結(jié)構(gòu)引發(fā)場(chǎng)增強(qiáng)尖端放電，帶電或極化漂移濺射（剝離）物引發(fā)高能顆粒轟擊是幾種主要的擊穿誘發(fā)物理機(jī)制，其中等離子體在主要因素與常規(guī)因素之間的耦合并引發(fā)擊穿中扮演重要角色。

5）濺射沉積物短路誘發(fā)的非預(yù)期電擊穿和低功率模式下?lián)舸?dǎo)致的陰極熄弧對(duì)離子電推進(jìn)工程應(yīng)用可靠性的潛在影響較大，其機(jī)理和解決措施值得進(jìn)一步深入研究。

總之，離子推力器的非預(yù)期電擊穿現(xiàn)象具有普遍性和復(fù)雜性；為保障航天工程應(yīng)用的可靠性和進(jìn)一步提升離子電推進(jìn)高比沖性能優(yōu)勢(shì)，需要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行持續(xù)深入的研究。